Экология природы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Уже с давних времён люди стали замечать различные закономерности во взаимодействии животных друг с другом и с окружающей средой. Однако, в те времена даже биология не была отдельной наукой, являясь частью философии. Первые описания экологии животных можно отнести к индийским и древнегреческим трактатам.

В Новое время, которое характеризуется подъёмом в области научного знания, экологические закономерности выявлялись учёными-энциклопедистами, зачастую весьма далекими от биологии в своих основных исследованиях. Это, например: Р. Бойль -- им проведён один из первых экологических экспериментов -- влияние атмосферного давления на животных, стойкость к вакууму водных, земноводных и др. пойкилотермных животных, Антони Ван Левенгук -- описание пищевых цепей, регулирование численности популяций. Дэрем -- «Физико-теология» (1713) -- в этой работе впервые описан термин «баланс» в смысле регуляции численности животных, Р. Брэдли -- впервые экология описывается количественно -- роль воробьиных птиц в истреблении вредных насекомых, Рене Реомюр -- «Мемуары по естественной истории насекомых» , К. Линней -- «Экономия природы», «Общественное устройство природы» -- описана концепция равновесия в природе, применён системный подход к природе, оцененоведущее влияние климатических условий, описаны фенологические наблюдения -- гибель одних организмов как средство для существования других, сравнение природы с человеческой общиной.

А в первой половине XIX века это Ж. Б. Ламарк «Философия зоологии» -- Описано взаимодействия организм -- среда, Т. Фабер «О жизни птиц далекого севера» (1825) -- экология птиц, Константин Глогер -- 1833 Правило Глогера (географические расы животных в тёплых и влажных регионах пигментированы сильнее, чем в холодных и сухих регионах), заложены начала современной зоогеографии.

1. Понятие экологии, ее междисциплинарная роль и основные задачи. Структура экологической науки

Термин «экология» (от греч. oikos - жилище, место обитания и logos - наука) предложил Э. Геккель в 1866 г. для обозначения биологической науки, изучающей взаимоотношения животных с органической и неорганической средами. Не решён вопрос, относится ли биоценология к экологии или это обособленная область науки. Не случайно почти одновременно появляются руководства по экологии, написанные с принципиально разных позиций. В одних экология трактуется как современная естественная история, в других - как учение о структуре природы, в котором конкретные виды рассматриваются лишь как средства трансформации вещества и энергии в биосистемах, в третьих - как учение о популяции и т.д. Экология - это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых её проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учётом изменений, вносимых в среду деятельностью человека.

Однако приведенное определение слишком пространно и недостаточно конкретно, хотя на первых этапах развития экологии один из вариантов его (экология - это наука об отношениях организмов друг с другом и со средой, наука о приспособлениях и т.п.) не только был принципиально верным, но и мог служить ориентиром при постановке ряда исследований. В последнее время экологи пришли к принципиально важному обобщению, показав, что условия среды осваиваются организмами на популяционно-биоценотическом уровне, а не отдельными особями вида. Это привело к интенсивному развитию учения о биологических макросистемах (популяциях, биоценозах, биогеоценозах), что оказало громадное влияние на развитие биологии в целом и всех её разделах в частности. В результате стали появляться всё новые и новые определения экологии. Её рассматривали как науку о популяциях, о структуре природы, о динамике численности и т.д. Но все они, несмотря на некоторую специфичность, определяют экологию как науку, исследующую законы жизни животных, растений и микроорганизмов в естественной среде обитания с учётом роли антропических факторов.

Основные формы существования видов животных, растений и микроорганизмов в естественной среде обитания - это внутривидовые группировки (популяции) или многовидовые сообщества (биоценозы). Поэтому современная экология изучает взаимоотношения организмов и среды на популяционно-биоценотическом уровне. Конечной целью экологических исследований является выяснение путей, с помощью которых вид сохраняется в постоянно меняющихся условиях среды. Процветание вида заключается в поддержании оптимальной численности его популяций в биогеоценозе. Следовательно, основным содержанием современной экологии становится исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой на популяционно-биоценотическом уровне и изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга: биогеоценозов (экосистем) и биосферы, их продуктивности и энергетики.

Отсюда очевидно, что предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, биоценозы, экосистемы) и их динамика во времени и пространстве. Из содержания и предмета исследований экологии вытекают и её основные задачи, которые могут быть сведены к изучению динамики популяций, к учению о биогеоценозах и их системах. Структура биоценозов, на уровне формирования которых, как было отмечено, происходит освоение среды, способствует наиболее экономичному и полному использованию жизненных ресурсов. Поэтому главная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть законы этих процессов и научиться управлять ими в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты.

Структура современной экологии. В процессе развития экологические исследования в ботанике и зоологии шли довольно специфическими путями, что и привело к искусственному и не вполне обоснованному их разделению. Экологию обычно подразделяют на аутэкологию (экологию особей) и синэкологию (экологию сообществ). Нет необходимости подробно анализировать все существующие точки зрения относительно структуры современной экологии. Важно, что в экологии объективно выделяются подразделения, изучающие органический мир на уровне особи (организма), популяции, вида, биоценоза, биогеоценоза (экосистемы) и биосферы. В связи с этим уже можно чётко выделить: аутэкологию (экология особей), демэкологию (экология популяций), эйдэкологию (экология видов) и синэкологию (экология сообществ).

Задачей аутэкологии (от греч. autos - сам) является установление пределов существования особи (организма) и тех пределов физико-химических факторов, которые организм выбирает из всего диапазона их значений.

Демэкология (от греч. demos - народ) изучает естественные группировки особей одного вида, т.е. популяции - элементарные надорганизменные макросистемы. Важнейшей задачей её является выяснение условий, при которых формируются популяции, а также изучение внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношений, организации (структуры), динамики численности популяций.

Эйдэкология (от греч. eidos - образ, вид), или экология видов, - наименее разработанное подразделение современной экологии. Вид как уровень организации живой природы, как надорганизменная биологическая макросистема еще не стал объектом экологических исследований. Это объясняется тем, что по мере развития экологии внимание и интерес исследователей с организма, т.е. с аутэкологии, переключились на популяцию - дэмэкологию, а затем на биоценоз, биогеоценоз и биосферу в целом.

Синэкология (от греч. syn - вместе), или экология сообществ (биоценология), изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, пути формирования и развития последних, структуру и динамику, взаимодействие их с физико-химическими факторами среды, энергетику, продуктивность и другие особенности.

На базе этих направлений формируются новые: глобальная экология, которая разрабатывает проблемы биосферы в целом, и социоэкология, которая изучает проблемы взаимоотношений природы и общества. При этом границы между направлениями и разделами довольно размыты: постоянно возникают направления на стыке таких отраслей экологии, как популяционная экология и биоценология, или физиологическая и популяционная экология.

Задачи экологической науки.Экология как наука должна решать следующие задачи:

1.Изучать законы и закономерности взаимодействия организмов со средой их обитания.

2.Изучать формирование, структуру и функционирование надорганизменных биологических систем (популяция, биоценоз (сообщество), биогеоценоз (экосистема), биом, биосфера).

3.Изучать законы и закономерности взаимодействия надорганизменных биологических систем с окружающей средой.

Цели экологии можно сформулировать следующим образом.

1. Разработка оптимальных путей взаимодействия общества и природы с учетом законов существования природы;

2.Прогнозирование последствий воздействия общества на природу с целью предотвращения негативных результатов.

Для решения задач, стоящих перед экологией, она использует собственные методы, которые можно разделить на три группы.

1.Полевые методы - это методы, позволяющие изучить влияние комплекса факторов естественной среды на природные биологические системы и установить общую картину существования и развития системы.

2.Лабораторные методы - это методы, позволяющие изучить влияние комплекса факторов моделированной в лабораторных условиях среды на естественные или моделированные биологические системы и требующие подтверждения в полевых условиях.

3.Экспериментальные методы - это методы, позволяющие изучить влияние отдельных факторов естественной или моделированной среды на естественные или моделированные биологические системы. Они применяются в сочетании как с полевыми, так и с лабораторными методами.

2. По определению - закон есть выражение существенной, необходимой, стабильно повторяющейся связи между явлениями.

Наиболее характерные для экологических явлений следующие законы:

- закон «физико-химического единства»: все живое вещество планеты едино с точки зрения своей физико-химической сути (например, что токсично для одного вида, токсично и для всех других видов);

- закон «биогенной миграции атомов»: миграция химических элементов - это функция живого вещества;

- закон «бережливости»: атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, с трудом возвращаются или не возвращаются в «косную» материю биосферы. Этот закон - основа круговорота веществ;

- закон «константности»: количество живого вещества биосферы для единого геологического периода есть постоянная величина;

- закон «максимизации энергии»: в конкурентной борьбе с другими системами выживает та из них, в которую наилучшим образом поступает энергия и используется максимально эффективно. А наиболее эффективно используют энергию те системы, которые ее накапливают;

- закон «пирамиды энергии»: с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой уровень в среднем не более 10 % энергии;

- закон «развития природных систем за счет окружающей среды»: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

- закон «снижения энергетической эффективности природопользования»: по мере течения исторического времени для получения от природы полезной продукции затрачивается все больше энергии на единицу продукции;

- закон «оптимальности»: самое эффективное функционирование любой системы возможно только в определенном пространственно-временном диапазоне. Никакая природная система не может расширяться без ущерба для ее организации и функционирования;

- закон «необратимости эволюции»: организм, отдельная популяция, вид, не могут вернуться к прежнему состоянию, существующему в ряду его предков. Этот закон действителен не только для живых организмов, но и в отношении экологических систем;

- закон «минимума»: жизнеспособность, выносливость организмов определяется экологическими факторами, их количеством и качеством, уменьшение которых ниже определенного минимума ведет к гибели организмов и разрушению экологической пирамиды;

- закон «толерантности»: ограничивающим фактором нормальной жизнедеятельности организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия;

- закон «возврата»: питательные вещества, изъятые из окружающей среды вместе с собранным урожаем, должны быть возвращены в нее;

- закон «убывающего плодородия»: в связи с постоянным изъятием питательных веществ вместе с собираемым урожаем, эрозией почвы, заболачиванием на культивируемых землях происходит постоянное снижение плодородия;

- закон «растущей урожайности»: агротехнические и другие прогрессивные приемы ведения сельского хозяйства ведут к увеличению урожайности земель. Этот закон противоположен закону плодородия;

- закон «незаменимости факторов роста и развития»: ни один из факторов, влияющих на рост и развитие живого организма, не может быть заменен никаким другим фактором (например, свет не может заменить влагу или температуру, кислород);

- закон «ускорения эволюции»: более организованные формы существуют меньшее время, чем низкоорганизованные. Это вызывает катастрофический толчок, когда эволюция резко убыстряется.

3. Рассеивание вредных выбросов в атмосфере. Санитарно-защитные зоны промышленных объектов. Совершенствование технологических процессов, применение высокоэффективных систем газоочистки позволяют в значительной мере уменьшить размеры промышленных выбросов в воздушный бассейн. В то же время полностью уловить пыле- и газообразные примеси в отходящих газах практически невозможно, и выделение в атмосферу некоторой части вредных веществ пока еще неизбежно. Для того чтобы концентрация вредного вещества в приземном слое атмосферы не превышала предельно допустимую максимальную разовую концентрацию, пылегазовые выбросы подвергаются рассеиванию в атмосфере через высотные трубы.

Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб промышленных выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, характер местности, физические свойства выбросов, высота трубы, диаметр устья и др. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

На рис. 1 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов концентрация вредностей в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает максимума и затем медленно убывает, что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы: зона переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы; зона задымления - зона максимального содержания вредных веществ и зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Рис. 1

Согласно действующей методике минимальная высота Нmin одноствольной трубы для рассеивания газовоздушных выбросов, имеющих температуру выше температуры окружающего воздуха, определяется по формуле

Hmin=vAMkFmn/ПДК 3?1/QДT,

где А - коэффициент, зависящий от температурного градиента атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредностей. М - количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу, г/с; Q - объемный расход газовоздушной смеси, выбрасываемой из всех труб, м3/с; kF - коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере. Для газов kF=1, для пыли при эффективности очистки газоочистной установки более 0,90-2,5 и менее 0,75-3; ДT - разность температур выбрасываемой газовоздушной смеси и окружающего атмосферного воздуха. Температуру окружающего воздуха принимают по средней температуре самого жаркого месяца в 13 часов; m и п - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

Величина безразмерного коэффициента m определяется по графику (рис. 2) в зависимости от параметра:

f=102 щ2гD/H2minДT,

где wr - средняя скорость выхода газов из устья источника, м/c;D =1,13 ?Q/щг - диаметр устья источника выбросов, м.

Рис. 2 Зависимость коэффициента m от параметра f

Величина безразмерного коэффициента n определяется в зависимости от величины хm, м/с:

экология атмосфера промышленный выброс

хm=0,65 3?QД/Hmin

хm ? 0,3n=3,0; хm > 2n=1,0;

0,3 < хm ? 2,0n=3-?(хm-0,3)(4,36-хm)

Максимальная концентрация вредных веществ у земной поверхности достигается на оси факела выброса (по направлению среднего за рассматриваемый период ветра) на расстоянии хm от источника выброса и не должна превышать максимальную разовую концентрацию данного вещества в атмосфере:

Cm=AMkFmn/H23vQДT ? ПДК.

Если коэффициент, учитывающий скорость оседания взвешенных частиц выброса в атмосфере kF<2, то xm kF ? 2, то xm=5-kF/4 kdH. Значение безразмерного параметра kd находится по номограмме (СН 369-74) либо расчетным путем:

хm ? 2kd=4,95хm(1+0,28 3vf);

хm > 2kd=7,0?хm(1+0,28 3vf).

Видное место в системе мероприятий по охране атмосферного воздуха занимают планировочные мероприятия, позволяющие при постоянстве валовых выбросов существенно снизить воздействие загрязнения окружающей среды на человека. Особое внимание следует уделять выбору площадки для промышленного предприятия и взаимному расположению производственных зданий и жилых массивов. Площадки для строительства промышленных предприятий и жилых массивов должны выбираться с учетом аэроклиматической характеристики и рельефа местности. Промышленное предприятие должно быть расположено на ровном возвышенном месте, хорошо продуваемом ветрами. Площадка жилой застройки не должна быть выше площадки предприятия, в противном случае преимущество высоких труб для рассеивания промышленных выбросов практически сводится на нет. Взаимное расположение предприятий и населенных пунктов определяется по средней розе ветров теплого периода года. Для данной местности промышленные предприятия, являющиеся источниками выделения вредных веществ в окружающую среду, располагаются за чертой населенных пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов, чтобы выбросы уносились в сторону от жилых кварталов.

Производственные здания и сооружения промышленных предприятий обычно размещают по ходу производственного процесса. Вместе с тем цехи, выделяющие наибольшее количество вредных веществ, следует располагать на краю производственной территории со стороны, противоположной жилому массиву. Кроме того, взаимное расположение цехов должно быть таким, чтобы при направлении ветров в сторону жилых кварталов их выбросы не объединялись.

Требованиями предусмотрено, что предприятия, являющиеся источниками выделения в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ, следует отделить от жилой застройки санитарно-защитными зонами. Размеры санитарно-защитной зоны до границы жилой застройки устанавливаются в зависимости от мощности предприятия, условий осуществления технологического процесса, характера и количества выделяемых в окружающую среду вредных и неприятно пахнущих веществ. В соответствии с классификацией промышленных предприятий в зависимости от выделяемых вредностей установлено пять величин санитарно-защитных зон, м: для предприятий I класса - 1000; II класса - 500; III класса - 300; IV класса - 100; V класса - 50.

Предприятия с технологическими процессами, не выделяющими в атмосферу вредных веществ, допускается размещать в пределах жилых районов. Машиностроительные предприятия по степени воздействия на окружающую среду в основном относятся к IV и V классам.

Размеры санитарно-защитной зоны могут быть уменьшены при изменении технологии, совершенствовании технологического процесса и внедрении высокоэффективных и надежных в эксплуатации очистных устройств.

Санитарно-защитная зона не может рассматриваться как резервная территория предприятия и использоваться для расширения промышленной площадки. Вместе с тем на территории санитарно-защитной зоны допускается размещать производства более низкого класса вредности, чем основное производство, для которого установлена эта зона, а также пожарные депо, гаражи, склады, административные здания, научно-исследовательские лаборатории, стоянки транспорта и т. п.

Для максимального ослабления влияния на окружающее население производственных загрязнений атмосферного воздуха территория санитарно-защитной зоны должна быть благоустроена и озеленена. Озеленение производится газоустойчивыми породами деревьев и кустарников. Со стороны жилого массива ширина полосы древесно-кустарниковых насаждений должна быть не менее 50 м, а при ширине зоны до 100 м - не менее 20 м.

Заключение

Всё сказанное выше, красноречиво обобщается высказыванием академика С.С. Шварца: «Экология - наука о жизни природы - переживает свою вторую молодость. Возникшая более 100 лет тому назад как учение о взаимосвязи организма и среды, экология на наших глазах трансформировалась в науку о структуре природы, науку о том, как работает живой покров Земли в его целостности. А так как работа живого все в большей степени определяется деятельностью человека, то наиболее прогрессивно мыслящие экологи видят будущее экологии в теории создания изменённого мира. Экология на наших глазах становится теоретической основой поведения человека индустриального общества в природе. ».

Список использованной литературы

1. Радкевич В.А., Экология: Учебник. - 3-е изд., переработано и дополнено - Мн.: Высшая Школа, 2007 г.

2. Киселёв В.Н., Основы экологии: Учебное пособие - МН.: 2009 г.

3. Чернова Н.М., Былова А. М., Экология: Учебное пособие для студентов биологических специальностей пед. институтов - 8-е издание, переработанное - М.: Просвещение, 2005 г.

4. Горелов А.А. Концепция современного естествознания. - М.: Высшее образование. 2005. 335 с

5. Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б. Экология учебник. М.: Наука, 2009.

6. Карпенков С.Х. Экология: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 2009. - 320 с.

7. Учебник для вузов (под ред. проф.В.Н. Лавриненко, проф.В.П.Ратникова: 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2006. - 79 с.

Размещено на Allbest.ru